国产光学粒子计数器的发展现状与展望
【摘要】光学粒子计数器是用于测量洁净环境空气中粒子数量及尺寸的仪器，具有价格低廉、快速可靠、高灵敏度的特点，在需要超净间的行业有着重要的应用。本文简述光学粒子计数器的主要原理及设计的注意要点，讨论其重要性能参数，通过与国际高端同类产品比较，分析国产粒子计数器的不足并对下一步发展提供指导。
【关键词】光学粒子计数器;Mie散射;信号处理
Abstract：Optical Particle Counters（OPCs）is a set of monitoring equipment used to measure the quantity and size of airborne particles in the clean room.With advantage of low coat，quick and high reliability as well as high sensitivity，the OPCs are widely applied in many fields that need ultra-clean space.This paper elucidates the key points of the main principle and design of the OPCs，discussing important performance parameters.By comparing the OPCs with international high-end like product，we analyze the shortfalls of domestic OPCs and provide guidance for next development.
Key word：Optical Particle Counter;Mie Scattering;Signal processing
隨着现代加工工艺及材料科学的发展，以微电子、生物医学工程、航天技术等为代表的领域正逐步向小型化方向迈进，同时对相关操作、生产环境的空气洁净度提出了较高的要求。光学粒子计数器是测量洁净环境空气中尘埃粒子的数量及大小、评价空气洁净度的专业仪器，它具有检测灵敏度高、可靠性好、成本低廉等优势，是现代超净环境检测的必要检测仪器。国际上对光学粒子计数器的研究始于上世纪20年代，并于上世纪50年代开始有产品问世，目前已发展至技术成熟、产品多样化的阶段，其中较为著名厂家包括美国HACH公司、TSI公司、PMS公司、日本加野公司等。与之相比较，我国在二十世纪七十年代才开始这类仪器的研制与生产，尽管目前已有多个公司或研究机构已成功研制出相关产品，但它们与国外光学粒子计数器相比还存在一定的差距。本论文在详细讨论光学粒子计数器原理及主要性能影响因素的基础上，综述了国内该类仪器的发展现状，分析与国外同类仪器差距的主要原因及改进方案，为我国光学粒子计数器的下一步发展提供思路。
1.光学粒子计数器的原理与设计
光学粒子计数器是基于光的散射原理实现粒子的计数及尺寸判断：当空气中的粒子通过激光光路时将发生散射，对于粒子计数器一般测量的0.1至5微米间粒径的颗粒，属于Mie散射范围，探测到的散射光强满足关系：
（1）
其中r对应颗粒半径，是它的体积，为散射角，R为光敏区被测粒子至光电探测器的距离，为空气中介电常数，为真空中介电常数，I0为入射光强度，H为与系统有关的一个常数。
由（1）式可知，在其它条件均固定时，探测的散射光强与颗粒尺寸存在一一对应关系，可通过测量散射光强估计颗粒尺寸及数量。具体实现结构如图1所示：采用气泵将含有悬浮颗粒的空气从光学粒子计数器的采样口抽入，让气流通过光敏区，通过控制气泵的流量及气流截面，保证光敏区内粒子一个个依次通过，悬浮粒子受光照射会散射出与粒子大小相关的光脉冲信号，该信号被光电探测器接收并转换成相应的电脉冲信号再被放大，通过对一个检测周期的电脉冲计数，便可得知单位体积采样空气中粒子个数。
尽管实现原理简单，但由于单个颗粒的散射光较弱，且随着颗粒尺寸的减小迅速减小，为通过分析散射光信号的幅值大小高精度计算被测粒子等效光学粒径增加了不少难度。作为精密测量的工具，高性能光学粒子计数器必须保证每个组成系统均合理设计。下面简单介绍组成系统设计中的几个注意重点：
图1 光学粒子计数器结构图
1.1 光学系统设计
按照功能，光学系统可以分为光学照明系统以及散射光收集系统两部分。
光学照明系统用于保证光源以合适的形态通过光敏区域，通常由光源、会聚透镜组、光阑、光陷阱等组成。进行照明系统的设计首先要选择合适的光源，光学粒子计数器使用的光源主要包括白光、He-Ne激光以及半导体激光三种。白光粒子计数器光路系统的数值孔径大，限制了散射光收集系统的收集角度，且白光激光的光强提高较困难，使得整个系统噪声较大，仅在早期使用。而He-Ne激光器与半导体激光器各有各的优势：He-Ne激光器一般功率都比较低，但激光光束质量好，相干长度长，是个优质的光源。而半导体激光器功率可做的比较高，不过高功率的光束质量相对比较差，但半导体激光器具有体积小、功耗低、均匀性好的优点，利于仪器的小型化，特别适合构造手持式粒子计数器。由于半导体激光器采用的是全封闭封装结构，损坏时多表现为发光模式改变，此时粒子计数器仍在计数，但计数效率下降、性能变差，因此使用时应特别注意。除了选择合适的光源外，照明系统还需要加入透镜组对光束进行整形，保证系统杂散光小，光敏区域内光强高且空间分布均匀，以此增加信号功率减小噪声功率。这里的一般做法是使光束焦点接近光敏区，并压缩粒子运动方向的光束宽度，从而提高光敏区光照强度，但是这种方法受到仪器结构的限制，调节范围有限。
散射光收集系统的设计目标在于避开照明光的基础上尽可能多地收集散射光[5]。根据光源光路和散射光收集系统的位置关系，可以分为近前向散射光收集结构与侧向散射光收集结构两种，它们同样有各自的特点：近前向散射光收集系统的响应受粒子折射率影响较小，但随粒径尺寸的变化存在着多值响应，单调性差，同时由于其光通量的变化范围大，超过了一般光电元件的动态响应范围。直角方向散射光收集系统的响应单调性较好，但受粒子折射率的影响较大。考虑到光学粒子计数器通常用于温度和湿度较稳定的洁净，粒子折射率变化不大，且光学设计中直角方向收集形式可以很好地阻止来自照明系统的杂散光，获得较高的信噪比，直角方向收集形式被更多地采用。
1.2 气路系统设计
气路系统设计目标在于合理控制气流，实现单粒子散射。同时，由于ISO 14644中规定了洁净室釆样的体积下限，人们还希望粒子计数器具有大流量的特点，以减少测量时间并避免仪器长时间工作带来的各种误差。气路系统主要由釆样入口、采样出口、散射腔和抽气泵等组成，它的设计重点在于使气流束在穿出光敏区前保持不明显扩散，从而使光敏区内气流横截面比光束截面小，这是每个经过光敏区的粒子均发生散射的必要保证。这方面，除了尽量控制光敏区气流截面外，人们还提出了采用“清洁空气保护靴”替代原有采样装置的方案：通过在被测空气外围加入清洁空气，使得样气束在进入光敏区后受到“ 清洁空气保护靴”的约束，基本上能保持不扩散，并迫使粒子集中从光敏区中心较均匀的地方通过，间接改善了光敏区的光强均匀度。气流的大小设计是气路系统设计的另一重点，它直接影响仪器计数的准确性，必须对气流流量进行计量，将流量计与采样气路串接，做到实时监测的目的。
1.3 信号采集与处理系统
信号采集与处理系统是光学粒子计数器的重要组成部分，它将收集的光信号转化为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行多次放大，采用电压幅度甄别器甄别被放大信号的幅值，再经多通道计数器分档计数后送到微处理器进行数据处理。这里测量到的是一个个电脉冲信号，脉冲数目即为粒子数，脉冲信号的强弱放映粒子直径分布，这样通过运算便可得出被采样空气的洁净度级别。进行合适电信号放大是信号采集与处理系统设计的重点与难点，除了尽量减小放大过程中引入的噪声外，进行电信号放大中还有两点需要特别注意：首先，由于镜片的散射等因素，光学系统中不可避免地存在着杂散光，造成颗粒尺寸估计值的误差。对于设计合理的光学系统，这些杂散光与激光光强成比例固定的正比关系，考虑到激光光强波动不太大，电放大首先应该滤除电信号的直流项，减弱杂散光的影响。其次，由（1）式可知，散射信号与颗粒半径的六次方成正比，信號随颗粒尺寸的减小迅速减小。为了保证测量颗粒尺寸的范围，在保证被放大信号强度与颗粒尺寸的单调对应关系的基础上，对不同大小电压信号最好选择不同的放大倍数，让弱信号放大倍数更大。考虑到非均匀放大方式引入的噪声较大，可以选择多级放大的方式，首先采用均匀放大，再引入非均匀放大（如对数放大）。
2.光学粒子计数器的主要性能参数
光学粒子计数器的主要参数标准由ISO标准规定，是评价比较粒子计数器性能优劣的尺度，本部分将简要介绍光学粒子计数器的主要参数，为之后国产光学粒子计数器性能分析打下基础。
2.1 测量范围
光学粒子计数器的测量范围是指仪器可以测量到的最大粒径和最小粒径的范围。它表征计数器整机的动态范围。由于仪器的光电倍增管的线性工作范围有一定的限制，当粒子大到一定量级时，其散射光强度会导致信号电路系统放大出现饱和现象，粒子小于某一范围时，系统响应太小，信噪比太小。此时，仪器便难以辨别出此种尘埃粒子的粒径。测量范围中人们更关心最小粒径，它表征了仪器灵敏度。增大光源功率，选用较大的立体采光角，设计高灵敏度、高放大倍率、高信噪比的微弱信号电子放大线路可以降低仪器的最小粒径。
2.2 粒径分辨率
分辨率指仪器区分不同粒径的粒子的能力，用响应曲线的半高宽△U来表示。当仪器处于理想状态时，标准粒子的脉冲信号幅度分布呈占函数形式，此时不同粒径的标准粒子的分辨率趋向于100%，仪器具备理想的分辨能力;而随着标准粒子脉冲信号幅度分布的半高宽△U的增大，不同粒径粒子的分辨率逐渐下降，仪器的分辨能力逐渐下降。它的表达式形式如下：
（2）
表示粒径大小相同的单分散粒子重复测量的标准偏差，D表示N次测量的算术平均值，N是测量的总次数。
2.3 粒径通道
粒径通道是粒子计数器档位的分布：在信号采集与处理部分，粒子计数器不会储存测得每个粒子的直径，而是通过多通道计数器分档计数将该粒子划分至某个粒径范围。粒子计数器的粒径通道一般根据国家标准制定，进行粒子计数器设计时，要注意所采用最小两个粒径通道的差值，并保证仪器的粒径分辨率满足这两个档位粒子分辨条件。
2.4 计数效率
光学粒子计数器的计数效率从定义为检测单粒径粒子时，仪器能够检测到此粒子的概率。一般来说粒径较大时，仪器具有较高的计数效率;但是随着粒径的减，计数效率亦随之下降，特别当颗粒粒径接近仪器的测量下限时，计数效率更是急剧下降。另外，计数器的计数效率与粒子的信噪比密切相关，粒子的信噪比越低，粒子的计数效率越低。同时，计数器的计数效率还与样气气流的分布有关。只有当样气气流完全流经光敏区，且待测粒子无两个或两个以上颗粒同时流过测量区时，计数器在某一粒径范围内才可能达到100%的计数效率。加大光源强度，增大立体采光角等都是提高计数效率的有效措施，但这些措施都有一个限度。
2.5 流量
流量即仪器单位时间所能处理（测量）的试样量，或仪器的进样量，是仪器的一个重要技术性能指标。从使用角度出发，要求仪器能有尽量大的流量，以期单位时间内能测量更多的试样，获得更多的信息，及时发现生产过程中的隐患，排除故障，提高经济效益。仪器的采样量过小时，测量结果统计意义上的客观性和参考性就差，完成规定样品量的测量时间也长。不断提高采样量是光学粒子计数器整个发展过程中的一个重要方面。近代颗粒计数器的采样量已经可以达到50L/min，大大提高了仪器的使用效益。当试样进样量超过仪器给定的允许值后，将导致计数效率的明显降低和粒径测量值的偏差，使测量结果的可信度降低，应予避免。
2.6 响应曲线
响应曲线是光学粒子计数器研发过程中最常分析的参数，表示不同粒径的粒子对于不同的散射光强度的响应特性。粒子计数器响应曲线可由Mie散射理论公式计算出单位光强照射粒子后，粒子散射光强与粒径的关系。目前现有的粒子计数器信号处理时，均认为粒子粒径与粒子散射脉冲信号幅度一一对应，用信号幅度代替粒子的粒径。但由于实际检测中，光敏区光强无法做到完全均匀，而导致粒子粒径与散射光脉冲信号幅度并非单调对应关系。因此，这一近似关系的不准确性直接导致现有激光尘埃粒子计数器的大量错计，对散射光相同而半径不同的粒子无法准确辨别粒径的大小。这一实际上的缺陷导致计数器的准确度无法提高。仪器性能也无法提高。
3.国产光学粒子计数器性能的主要限制因素
正如引言所描述的，尽管国内已经成功生产了多款光学粒子计数器，但它们与国外资深厂家的产品比较，还有一定差距。本部分将仔细分析比较国内外粒子计数器的主要参数，讨论它们性能差距的原因及解决方法。
表一、表二分别给出了国外及国内几款主流的光学粒子计数器具体参数，可以对比发现，对于测量范围、粒径通道两个关键指标，国内仪器与国外产品差距不是很大，仅和TSI公司产品最小检测半径0.1μm有一些差距。在粒子计数器流量方面，目前国内公司苏州苏净公司的产品Y09-550也达到了50L/min的指标，与国外产品差距不大。然而，国内产品的差距体现在表征仪器稳定性、结论数据有效程度等参数上。比如：目前国内相关产品的手册上没有看到任何一个标出了计数效率的有效值，很少公司提供了粒径分辨率这个参数，少数给出了粒径分辨率的产品具体参数也与国外产品差距较大，这从侧面说明了国产仪器对结论有效性的分析工作有一定差距。事实上，粒径分辨率及计数效率是粒子计数器最重要的两个参数。粒径分辨率是计数器分辨能力的标志，高分辨率也侧面反应了粒径分级的准确度高[9]，提高分辨率也意味着计数器最小探测颗粒直径的减小，意味着可以增加粒径通道，因此，粒子计数器的性能改善工作应主要从粒径分辨率的研究开始。计数效率是粒子计数器后期校正工作详细程度的一个標志，由于放大电路非线性等因素，放大电压与粒径的对应关系不能完全从理论分析得到，还需要通过校正。对采样气体实际参数的掌握是校正的基础，计数效率参数反应了粒子计数器整体系统的稳定程度，对于粒子计数器的校正与分析方面国内已经做了一些研究工作，这些工作引导颗粒计数仪的下一步研发和数据校准 。
4.下一步发展展望
经过上面的分析可以发现，尽管我国已经成功研制了主要参数与国际水平基本接近的光学粒子计数器，但存在对粒子计数器后期检测、参数细化等工作缺少细致整理分析。下一步工作应从两方面进行，一方面应通过理论及实验结合加强对整个系统的分析，深入研究光学粒子计数器信号传输特征，借助标准粒子的信号幅度概率分布曲线，从光源、光学系统结构以及电路设计方面思考提高粒子计数器的灵敏度、粒径区分度特性的方法，提高粒子计数器检测分辨率。另一方面，应加强制作出仪器效果的后期研究工作，包括：重复实验得到仪器稳定性及计数效率等参数、进行更细致的仪器校准等，最终实现赶超国际标准的目标。
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基金项目：2011年广东省产业技术研究开发专项补助经费“数字化食品安全实验室设备产品的研制及产业化示范”（粤财工[2011]553号）;2011年粤港关键领域重点突破项目“食品微生物安全溯源系统智能化研究及应用”（2011A011303001）。
作者简介：张健伟（1973—），男，大学本科，研究方向：实验室仪器开发。